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1、主讲人:邓华夏,计量学基础,参考资料,1. 计量学基础，李东升，机械工业出版社；2.误差理论与数据处理，费业泰，机械工业出版社；3.An Introduction to Uncertainty in Measurement, Les Kirkup4.中国古代计量史图鉴，张延明，合肥工业大学出版社5. 注册计量师基础知识及专业实务，中国计量测试学会6. 计量史学研究入门，霍俊江，北京大学出版社7. www.wikipedia.org,中国古代计量史,1. 形成时期 秦始皇统一度量衡2. 体系形成王莽时期, 刘歆(xin)理论完备3. 发展和落后,度计量长短的用的器具称为度,量测定计算容积的器皿称
2、为量,衡测量物体轻重的工具称为衡,计量在中国,1986年以前：“行政计量”1986年：“法制计量”1987年：产品质量检验机构的“计量认证”1998年：引入“实验室认可”机制目前：计量认证/审查认可、实验室认可并行,那些正在世上寻找生活目标的年轻人，看到他们眼前这个高尚和高贵的人生，他们就会发现世界上还有比积累财富更为尊贵的东西。于是他们就愿意将生命奉献给相同的事业，他们就会尊重那些将他们引向更高境界的教授，这一境界是他们通过其它途径所不能企及的。教授的职责是促进科学的进步，他应该向学生和世界展示一个完全、真实地献身科学的榜样，告诉他们生命中还有更崇高的价值。如果一个自称为大学的机构在它的桌子
3、上没最新的科学期刊，或者在它的图书馆的书架上没有存放学会的学报，那么可以肯定的是它没尽最大的努力来促进和培育这个世界上最好的人和事。,我时常被问及这样的问题：纯科学与应用科学究竟哪个对世界更重要。为了应用科学，科学本身必须存在。假如我们停止科学的进步而只留意科学的应用，我们很快就会退化成中国人那样，多少代人以来他们都没有什么进步，因为他们只满足于科学的应用，却从来没有追问过他们所做事情中的原理。这些原理就构成了纯科学。中国人知道火药的应用已经若干世纪，如果他们用正确的方法探索其特殊应用的原理，他们就会在获得众多应用的同时发展出化学，甚至物理学。因为只满足于火药能爆炸的事实，而没有寻根问底，中国
4、人已经远远落后于世界的进步。我们现在只是将这个所有民族中最古老、人口最多的民族当成野蛮人。,Henry Augustus Rowland, A Plea for Pure Science, Science, 1883,思考,中国为什么没有形成计量学?中国古代为什么没有形成科学?科学重要还是技术重要?本科教育与职业教育应该怎么进行?合工大应该进行科学教育还是技术教育？,计量学：关于测量的科学,科 学 技 术,本质上就是计量,计量单位 unit of measurement,标准定义：JJF100119983.7为 定量 表示 同种量 的大小而约定地 定义和采用的 特定量。,法定计量单位 lega
5、l unit of metrology由国家法律承认、具有法定地位的计量单位。,中华人民共和国计量法第一章第三条：国家采用国际单位制。国际单位制计量单位和国家选定的其他计量单位，为国家法定计量单位。,英国gallon与美国gallon：,U.K. gallon = 4.546 09 L U.S. gallon = 3.785 41 L,Boeing 75730043 400 L,= 9 547 gallon (U.K.) = 11 466 gallon (U.S.A.),litre, liter (US)metre, meter (US)gram, gramme (UK),火星大气层的最小安全
6、距离：约85 公里100 公里预定的140 公里150 公里 实际上，探测器距火星表面最近仅57 公里。探测器有可能在火星的大气中被“火葬”，甚至坠毁在火星表面上,1999年9月30日的调查报告： 造成飞行高度太低的原因竟然是公制和英制的转换问题。洛克希德马丁公司：英制单位（磅秒）美国航宇局（NASA）喷推实验室：公制单位（牛秒）这样计算出的冲量值只是实际值的22%。推力器校定表的作用是把遥测到的推力器点火工作次数转换成提供给探测器的冲量，以消除因推力器点火工作造成的弹道计算中的剩余误差。,美国火星气候探测器（1998年）：,1999年9月23日：1998年12月美国发射的火星气候探测器与地面
7、失去联系。,低级错误,通用计量术语：量与单位,SI基本单位：7个SI辅助单位：2个具有专门名称的SI导出单位：19个国家选定的非SI单位：16个SI单位的十进倍数和分数单位的词头：20个,Length: meter (m),Mass: kilogram (kg),Time: second (s),Electric current: ampere (A),Thermodynamic temperature: kelvin (K),Amount of substance: mole (mol),Luminous intensity: candela (cd),Seven base units:,L
8、ots of derived units:,Area: m2,Speed: m/s,Force: 1 newton = 1 kgm/s2,Voltage: 1 volt = 1 m2kg/s3A,Frequency: 1 hertz = 1/s,Power: 1 watt = 1 kgm2/s3,Electric Charge: 1 C = 1 As,Systems of Units,国际单位的组成,SI 词 头,具有专门名称的SI导出单位,用专门名称表示的SI导出单位示例（一）,用专门名称表示的SI导出单位示例（二）,用SI辅助单位表示的SI导出单位示例,量 名称 符号角速度 弧度每秒 ra
9、d/s角加速度 弧度每二次方秒 rad/s2辐射强度 瓦特每球面度 W/sr辐射亮度 瓦特每平方米球面度 W/（m2 sr）,与SI并用的单位(一),时间:分(min), 小时(h), 日天(d)平面角:度( ), 分( ), 秒( ”)体积、容积: 升(l , L)质量:吨(t), 原子质量单位(u 1.660 565 5 x 1027 g)长度:天文单位距离(A),秒差距(pc)能: 电子伏特(eV),与SI并用的单位(二),表观功率(视在功率) :伏安(VA)声压级:分贝(db)响度级:方 原则上与SI长期并存,但”只有在一些限定的情况下才允许其与SI 单位构成组合单位,特别是”千瓦小时
10、”最后予以废除, 换成焦耳(1千瓦小时=3.6兆焦耳),暂时与SI并用的单位,不是”必须采用”,而是”尽量避免”长度: 海哩,公里,费密,埃面积: 公亩(a),公顷(ha)质量:米制克拉力: 达因,千克力(公斤力),顿力压强: 巴,标准大气压,托,毫米汞柱,毫米水柱 千克力每平方厘米(工程大气压)能,功: 千克力,瓦特小时功率: 马力热量: 卡,热化学卡磁场强度: 奥斯特(Oe)磁感应强度,磁通密度: 高斯(Gs,G),单位的写法与读法,中华人民共和国国家标准：GB 3100系列,GB 3100：国际单位制及其应用GB 3101：有关量、单位和符号的一般原则,单位的读法：单位符号的中文读法,单
11、位1 单位2 / 单位3 单位4,不读,每,不读,1、依据单位符号的顺序， “ ”：不读；“ / ”：每,2、指数名称在前,3、面积：平方 体积：立方,质量热容：,J/(kgK),J/kg/K,焦耳每千克开尔文,Gu Bio,SI中组合单位构成(一),“每, 一条斜线”原则: 米/秒 读作“米每秒平方” 分母含有两个以上单位符号时,整个字母一般要用括号括起来;每(斜线)只能用一条. 导热率：W/(mk)瓦特每米开尔文 错：W/m/k(每米开尔文瓦特,瓦特每米每开尔文)“分母不用词头”原则,用MV/m,不用KV/mm. 两种例外:质量单位kg为分母时;组合单位分母是长度,面积,体积时,如A/mm
12、“词头提前”规则:Nkm kNm,SI中组合单位构成(二),“变顺序避免误解”规则: 因某些符号同时作为”词头符号”和”单位符号” (T:特斯拉,10;m:米,103;G:高斯,109等)使用时尽量将其放在右侧.“用圆点或斜线避免误解”规则: 米每秒-m/s,ms1,ms1为避免与(ms) 1混淆,在中间加圆点,单位的写法与读法,1、单位符号一律用正体：除了来源于人名的单位符号首字母要大写外，其余均为小写。,2、单位符号在全部数值之后，与数值间留适当的空隙，例外：角度单位的符号与数值间不留空隙，30，15，20。,单位的写法：单位符号、单位名称,中文符号：即单位名称的简称。只在有必要时用于中、
13、小学教材和普通书刊中。除了C外，必须用中文。 中文符号不得与单位符号混用，km/小时,量的符号：必须用斜体，下标用正体，物理量符号的下标用斜体,量A 表达式： A=A A,计量单位,英寸 inch （in2.54 cm）（荷兰语中inch 为大拇指） 10世纪：英王埃德加大拇指的第一个指节的长度。 14世纪：爱德华二世：三个大麦粒的总长度。英尺 foot（ft12 inch0.3048 m） 9世纪：英国查理曼大帝的脚板的长度。 16世纪：德国：16个人的左脚板的平均长度。码 yard（yd3 ft91.44 cm） 12世纪：英国亨利一世的鼻尖到前伸手臂时中指尖的距离。丈 古代成年男子的身高
14、，大丈夫。尺 ,古典阶段：身体,故事：计量单位,器具与现象计量学的开始,米 metre：1875年5月20日“国际米制公约” 1790年：巴黎会议约定：通过巴黎的子午线的四千万分之一。（米原器） 1889年：0 时巴黎国际计量局的截面为X形的铂铱合金尺两端刻线记号间的距离。1960年：86Kr在真空中发射出的橙黄色光波长的1650763.73倍。1983年：光在真空中1/299792458 s的时间间隔内的行程。”（俗称光波米）千克 kilogram：铂铱合金制造的千克原器 根据1立方分米的水在其密度最大时的温度下的质量。安培 ampere： 根据两通电导线之间产生的作用力而定义的电流单位。秒
15、 second： 根据地球围绕太阳的转动周期而确定的时间单位。,经典阶段：实物,Development of Metre,4000 B.C. Egypt; Kings Elbow=0.4633 m, 1.5 ft, 2 handspans, 6 hand-widths, 24 finger-thicknessAD 1150 King David I of Scotland Inch(2.54 cm), width of an average mans thumb at the base of the nailAD 1101 King Henry I yard (0.9144 m) from h
16、is nose to the tip of his thumb,King David I of Scotland,King Henry I,Systems of Units,http:/en.wikipedia.org/wiki/French_Academy_of_Sciencesand charged with determining a single scale for all measures, advised the adoption of a decimal system (27 October 1790) and suggested a basic unit of length e
17、qual to one ten-millionth of the distance between theNorth Poleand theEquator.References: www.wikipedia.org,Systems of Units,Development of Metre,A metal bar:1889-1960,The meter is the length of the path traveled by light in vacuum during a time interval of 1/299,792,458 of a second,The modern meter
18、:,Systems of Units,Systems of Units,电磁学单位制的历史,以1832年C. F. Gauss引入绝对单位（力学单位）为分界,电磁学单位制的历史,电磁学基本定律,1785年1789年法国C. A. de Coulomb发现库仑定律（比例的形式）1820年7月21日丹麦H. C. Oersted发现电流磁效应 1820年9月18日和25日法国A. -M. Amprre发现安培定律1820年法国J. -B. Biot与F. Savart发现毕奥萨伐尔定律 1826年1827年德国G. S. Ohm发表欧姆定律（双曲线形式）1831年英国M. Faraday发现电磁感
19、应定律 （定性的形式）1832年美国J. Henry发现自感现象 1834年德国俄罗斯H. F. E. Lenz发现愣次定律 1855年1865年英国J. C. Maxwell提出电磁场方程,电磁学单位制的历史,1832年以前的电磁学单位（制）,1771年H. Cavendish提出电势，地球零电势1776年H. Cavendish研究了电鯆的放电现象，提出电容、电压、电量 电容：电英寸（inches of electricity） 电位：带电度（degree of electrification） 电阻：resistance，溶液对电流的阻抗能力 电流强度：velocity，表示电流的大小（
20、自己身体作电流计）1782年Alessandro G. A. Volta确定电容、电压、电量的关系：静电计,相对测量原理,电磁学单位制的历史,绝对单位制高斯和韦伯,1832年C. F. Gauss提出用力学中的三个基本量：长度L、质量M和时间T来测量和表示电磁学量及其它非力学量，即绝对单位制。 磁场强度的量纲：L1/2M1/2T1（1835年，高斯量纲原理） 电动势： L3/2M1/2T2（1837年，韦伯，电磁感应定律） 电流强度： L1/2M1/2T-1（1846年，韦伯，安培电动力学公式） 电阻： LT1（1852年，韦伯，欧姆定律） 电量： L1/2T1/2（1846年，高斯韦伯，库仑
21、定律）,毫米毫克秒制,电磁学单位制的历史,CGS单位制,以米制为基础、与力学单位统一的一贯单位制，采用力学单位中的厘米（cm）、克（g）、秒（s ）为基本单位，具有三个基本量方程（库仑定律、安培定律、欧姆定律）,CGS静电制（esu）：真空介电常数0为独立量CGS电磁制（emu）：真空磁导率0为独立量CGS高斯制（gauss）：电学量（esu）磁学量（emu）,相距1 cm的单位电荷或者单位磁极相互间的力为1 dyn1 cmgs2,电学量的CGS静电制使用不普遍；磁学量的CGS静电制从未使用,电磁学单位制的历史,CGS高斯单位制,电学量单位没有专门名称和符号，1 cgs esu的电荷，1 cg
22、s emu的电荷有四个磁学量单位被赋予专门名称和符号： 磁场强度：Oersted （Oe，奥斯特）cm1/2g1/2s1 磁感应强度：Gauss（Gs，高斯） cm1/2g1/2s1 磁通量：Maxwell（Mx，麦克斯韦） cm3/2g1/2s1 磁通势：Gilbert（Gb，吉尔伯特） cm1/2g1/2s1,相对测量绝对单位制的弊端,1 cgs emu的电阻1109 欧姆,自行暂定的“实用”单位出现：如电量的单位“韦伯（Weber）”,电磁学单位制的历史,实用单位制,电磁学的实用单位制的电磁量单位有专门名称，如安培、伏特、欧姆、法拉、库仑、亨利、瓦特、焦耳，等,为了解决CGS单位制中电磁
23、量单位与常用电磁量单位大小不相适应，以便于计量上的实用而确定的一种单位制，即在CGS电磁制的各个单位上分别乘以10的正或者负整数次方，也称为绝对电学实用单位。,起源,大英帝国,1861年Charles Bright和Latimer Clark在英国曼彻斯特科学促进会上提出：电动势Ohma；电量Farad；电流强度Galvat；电阻Volt。同年W. Thomson（即Kelvin勋爵）为首的六人电标准委员会提出mgs绝对单位，未被采用，史称Ohmad单位制。后来电学单位委员会给出：电阻Ohm；电容Farad；电势Volt，一直沿用至今，史称B. A. （British Association
24、for the Advancement of Science）单位制。,电磁学单位制的历史,麦克斯韦的“象限制”,“象限制”的优点：直接将这三个基本单位带入量纲中，就可以得到以绝对单位表示的实用单位的数值，如，1 OhmLT1109 cm/s。,1873年，麦克斯韦在电学和磁学专论中提出现在称为“象限制”的绝对单位制：长度109 cm；质量1011 g；时间s。因109 cm恰为地球周长的四分之一。,麦克斯韦的“象限制”导致1881年第一届国际电气大会（IEC，International Electrical Congress）的召开，但是1893年第四届IEC大会否决了“象限制”。原因（可能
25、）在于与力学单位中的基本单位不统一。,电磁学单位制的历史,实用单位制的统一进程（1）,1881年在法国巴黎召开的第一届IEC大会开始了统一电学实用单位的尝试。会议决定采用CGS单位制为基础单位，并且定义了五个实用单位：Ohm、Volt、Ampere、Coulomb、Farad,1 Ohm109 CGS emu的电阻1 Volt108 CGS emu的电压1 Ampere1 Volt / 1 Ohm（原来一直用Weber/s）1 Coulomb1 Ampere1 s（原来欧洲大陆一直用Weber）1 Farad1 Coulomb / 1 Volt,电磁学单位制的历史,实用单位制的统一进程（2）,
26、1882年C. W. Siemens建议增加另外四个实用单位的名称：磁化强度：Weber；功率：Watt；磁场强度：Gauss ；热量：Joule,1889年8月31日在法国巴黎召开的第二届IEC大会上决定采用：1 Watt 107 CGS emu的功率 1 Joule107 CGS emu的功推荐： 磁通实用单位： Maxwell 磁感应强度的实用单位：Weber,电磁学单位制的历史,实用单位制的统一进程（3）,1893年在美国芝加哥召开第四届IEC大会，会议决定采用物理标准为基础，而不以CGS单位制为基础单位。以Ohm、Ampere和Volt为基本单位，定义了八个国际单位：国际Ohm、国际
27、Volt、国际Ampere、国际Coulomb、国际Farad、国际Joule、国际Watt、国际Henry。,电磁学历史上的第一个国际单位制，1894年起生效。,1900年开始，磁通：Maxwell；1930年，磁感应强度：Gauss；磁场强度：Oersted；1935年，磁通：Weber（1 Weber108 Maxwell）；电导率：Siemens；频率：Hertz。,电磁学单位制的历史,MKS单位制（有理制和非有理制）,1896年G. Giorgi（意大利）提出CGS单位制的推导方法。1901年10月13日提出MKSO单位制，以m、kg、s和Ohm为基本单位的实用单位制。1904年在美
28、国St. Louis召开IEC大会将MKSO列入议题。1906年国际电工委员会（IEC，International Electrotechnical Commission)成立。1935年在ScheveningenBrussels召开的第届IEC大会上MKS获得通过，但是否定了将Ohm作为第四个基本单位的设想。,1940年1月1日，CIPM宣布采用MKS单位制，要求国际单位建立在CGS单位制的绝对测量上，反对用物理条件来决定国际单位。1946年10月决议：从1948年1月1日起，用绝对单位（cm、g、s）取代某些物质标准基础上的电学单位。,电磁学单位制的历史,MKS单位制（有理制和非有理制）,
29、Coulomb Law,首先确定导出c0的基本单位；其次确定选取0、0、中哪一个作为独立量；最后确定k1、k2、k3。以保证公式的系数简化。,Biot-Savart Law,如果k1、k2、k3选取1时为非有理单位制；选取4时为有理单位制,电磁学单位制的历史,Heaviside有理化单位,CGS单位制,现在通用方程,1885年Oliver Heaviside将Maxwell的20个分量式电磁场方程简化为4个较为对称的矢量方程。有理化单位、矢量式、对称性。,Heaviside方程,电磁学单位制的历史,Maxwell对于物理量分类的贡献,1637年Ren Descartes（笛卡儿）将直角坐标系（
30、亦称为笛卡儿坐标系，Cartesian coordinates）引入几何学。,WilliamRowan Hamilton（哈密顿）把物理量分为矢量和标量两大类，而矢量和标量是不能相加减的。,1863年James Clerk Maxwell（麦克斯韦）发表论电量的基本关系，系统地引进量纲的概念和表示法。指出“力矢量”和“通量矢量”的关系及其区别。如磁场强度H和电场强度E具有力性质；磁感应强度B和电位移矢量D为通量性质。,电磁学单位制的历史,MKSA单位制的采用,1950年7月IEC大会采用Heaviside的有理化单位制，引入Ampere作为第四个基本单位（电流），即MKSA单位制。,1954年
31、第十届国际计量大会 (CGPM)采用有理化单位制；1960年10月的第十一届CGPM ，引入Kelvin（热力学温度）和candela（发光强度）；1971年引入Mole（物质的量），至此新的国际单位制全部建立起来，为了与1893年的第一个国际单位制相区别，用SI来表示现在的国际单位制。,SI单位制（新的国际单位制）的建立,电磁学单位制的现状,统一采用SI单位制,电磁学的SI单位制与MKSA单位制一致。,Many U.S. teachers think the answer is “Liberia（利比里亚） and Burma（缅甸）” (make that Myanmar（缅甸）). Le
32、ts give Liberia and Myanmar a break! All countries have adopted the metric system, including the U.S., and most countries (but not the U.S.) have taken steps to eliminate most uses of traditional measurements. However, in nearly all countries people still use traditional units sometimes, at least in
33、 colloquial expressions. Becoming metric is not a one-time event that has either happened or not. It is a process that happens over time. Every country is somewhere in this process of going metric, some much further along than others.,谁在使用非SI单位制？,常用电磁学单位,磁能积 BH： B的单位T(esla)kg s2 A1 H的单位A m1 BH=T A m
34、1 m1 kg s2 能量的单位J(oule) m2 kg s2 能量密度 J m3 m1 kg s2因此： BHT A m1J m3,如何确定电学单位,电学单位与力学单位的关系,s,m,kg,N,J,Js1,A,V,W,kg m s2,N m,kg m2 s3,kg m2 s3 A2,kg m2 s3 A1,机械功率,电功率,物理常数,有些物理常数是严格定义的 如光速c =299792458 m.s-1 普朗克常数 h= 6.626069*10 -34 J.s物理常数的精度都很高 万有引力常数不确定度最大,量纲分析与无量纲化,物理量的量纲,长度 l 的量纲记 L=l,质量 m的量纲记 M=m,时间 t 的量纲记 T=t,动力学中基本量纲 L, M, T,速度 v 的量纲 v=LT-1,导出量纲,加速度 a 的量纲 a=LT-2,力 f 的量纲 f=LMT-2,引力常数 k 的量纲 k,对无量纲量，=1(=L0M0T0),量纲齐次原则,=fl2m-2=L3M-1T-2,量纲齐次原则,等式两端的量纲一致,量纲分析利用量纲齐次原则寻求物理量之间的关系,例：单摆运动,求摆动周期 t 的表达式,设物理量 t, m, l, g 之间有关系式,1, 2, 3 为待定系数，为无量纲量,(1)的量纲表达式,对比,
